Die gezielte Modifikation von Biomaterialoberflächen ermöglicht die Entwicklung von Systemen für Anwendungen im Bereich des Tissue Engineering. Durch die Funktionalisierung mit DNA-Aptameren können Biomaterialien mit der Fähigkeit ausgestattet werden, spezifische Zielmoleküle mit hoher Affinität und Selektivität zu binden. Ziel ist die Entwicklung multifunktionaler Biomaterialien, die zelluläre Prozesse gezielt beeinflussen und die Geweberegeneration unterstützen.

Projekt 1: Chemische Funktionalisierung von Biomaterialien

Für die Immobilisierung von Aptameren werden verschiedene Biomaterialplattformen, wie Chitosan-basierte Materialien, rekombinante Spinnenseidenmaterialien und faserbasierte PCL-Gerüste, chemisch modifiziert. Dabei werden geeignete Kopplungsstrategien getestet, um Aptamere stabil an die Materialien zu binden und ihre Funktionalität zu erhalten.

Projekt 2: Bindung und Freisetzung bioaktiver Moleküle

Durch die Immobilisierung spezifischer Aptamere sollen Biomaterialien Wachstumsfaktoren und andere Signalmoleküle gezielt binden, speichern und kontrolliert freisetzen. Untersucht wird, wie die Oberflächenmodifikation die Bindungs- und Freisetzungseigenschaften beeinflusst.

Projekt 3: Zell-Biomaterial-Interaktionen

Die mit Aptameren funktionalisierten Biomaterialien werden hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit Zellen untersucht. Im Fokus stehen dabei Effekte auf Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung, um das Potenzial der Materialien für Anwendungen im Tissue Engineering zu bewerten.

Rekombinante Spinnenseidenproteine assemblieren unter milden wässrigen Bedingungen und Einfluss von Phosphationen zu β-Faltblatt-reichen Fibrillen. Dieser Nukleationsmechanismus kann zur Ausbildung von Protein-Nanohydrogelen verwendet werden, d.h. immobilisierte, vernetzte Strukturen mit Quellverhalten.

Katalytisch aktive Proteine (Enzyme) benötigen kontrollierte Umgebungsbedingungen, um ihre Aktivität zu erhalten, insbesondere im immobilisierten Zustand. Spinnenseidenprotein-basierte Nanohydrogele ermöglichen eine vielfältige kovalente oder nicht-kovalente Einbindung von Enzymen in kontrollierter, schützender Mikroumgebung. Darüber hinaus lassen sich die Nanohydrogele auf verschiedene Oberflächen, wie beispielsweise Goldelektroden und elektro-gesponnene Vliesstoffe, übertragen und eröffnen somit ihre potenzielle Anwendung im Bereich der Biosensorik.

Das rekombinante Spinnenseidenprotein eADF4(C16) zeigt eine Assemblierung von Proteinfibrillen mit hohem Anteil an β-Faltblatt-Sekundärstrukturen. Die Bildung der Fibrillen entsteht durch Selbstassemblierung, welche durch Phosphat-Ionen getriggert wird. Dieser Mechanismus dient als Vorlage für den Aufbau immobilisierter Hydrogele mit Schichtdicken im Nanometerbereich, die in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden können.

Projekt 1: Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften

Die Struktur und Funktion von Nanohydrogelen wurden bislang noch nicht systematisch untersucht. Aus diesem Grund konzentriere ich mich in diesem Projekt auf die Charakterisierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Nanohydrogelen, beispielsweise Quellung, Nanomechanik, Selbstheilung und Interaktion mit Proteinen, um eine maßgeschneiderte Anwendung der Nanohydrogele zu ermöglichen.

Projekt 2: Zellmustererzeugung mittels Photolithographie

Nanohydrogele können mittels Click-Chemie mit DNA-Strängen funktionalisiert werden. In diesem Projekt werde ich eine photoinduzierte Click-Reaktion nutzen, um DNA-Aptamere in definierten Mustern zu immobilisieren und so eine räumlich kontrollierte Bindung unterschiedlicher Zelltypen an die Nanohydrogele zu ermöglichen. Die erzeugten Zellmuster können als zweidimensionale Modelle zur Nachbildung von Mikrogewebestrukturen dienen.

Projekt 3: Nanohydrogele als Wirkstoffdepots

DNA-Origami-Strukturen sind vielversprechende Wirkstoffträger, da sich Krebsmedikamente in ihre DNA-Struktur einbauen lassen und sie diese gezielt in die Zellen bringen können. Hier sollen DNA-modifizierte Nanohydrogele entwickelt werden, die die Speicherung und bedarfsgerechte Freisetzung der DNA-Origami-Strukturen ermöglichen. Dieses System könnte in der Behandlung von Krebs, beispielsweise in der Augenheilkunde, Anwendung finden.